Villalonga tok over for Real Madrid midt i 1954/1955-sesongen, og med toppspillere som Alfredo Di Stéfano og Miguel Muñoz vant han både serien og Copa Latina i 1955. Året etter vant Real Madrid den første Serievinnercupen, og Villalonga ble den første treneren til å vinne den. Han vant den 36 år og 184 dager gammel, og er per juli 2012 også den yngste treneren som har vunnet Champions League. I serien gikk det ikke så bra, den ble vunnet av Atlético Bilbao foran FC Barcelona. Real Madrid kom på tredjeplass. Villalonga kom sterkt tilbake neste sesong, da han vant både serien, Copa Latina og Serievinnercupen.
Atlético Madrid
Villalonga tok i 1959 over et Atlético Madrid som hadde potensial, og som allerede hadde to andreplasser, men som hadde en femteplass sist sesong. Han fikk dem tilbake til andreplass og tredjeplass, og i tillegg vant han Copa del Generalissimo med laget to år på rad ved å slå gamlelaget Real Madrid i finalen i begge årene.
Spania
Villalonga ble trener for Spania i 1962 etter suksessen for Atlético. Som trener lyktes det ham noe bare to andre trenere har fått til - å vinne noe. I 1964 vant Spania EM i fotball 1964 ved først å slå Ungarn og så Sovjetunionen, begge med 2-1.
I VM i fotball 1966 i England gikk det ikke så bra, og Villalonga trakk seg etter at laget tapte to av de tre innledende kampene.
